隨著工業不斷發展，市場對軸承的質量要求越來越高。滾子作為軸承中的滾動零件，關系到軸承工作時的動態性能，因此滾子的加工工藝必須達到國家標準要求。滾子也是軸承中最薄弱的地方，如果滾子表面存在裂紋，當其工作于高速重載條件下時，不僅工作精度和使用壽命等會受到影響，裂紋還會進一步擴大，而最終導致軸承失效，造成重大安全事故。因此，需要對滾子表面質量進行檢測。
國內外研究學者對于軸承滾子的檢測研究從接觸式逐漸發展到非破壞性、非接觸式的無損檢測。無損檢測是在保證不損傷檢測工件的前提下，對檢測對象進行質量評估以及缺陷檢出定位等的技術。目前軸承滾子的主要檢測方法有磁粉檢測、渦流檢測、光電檢測、超聲檢測、機器視覺檢測等。
磁粉檢測法適用于零件表面以及近表面裂紋檢測，檢測效率低，且存在污染；渦流法難以檢測內部缺陷，同時受背景磁場影響較大；光電檢測法精度要求較高，易受檢測過程中的振動、抖動影響；超聲法檢測效率低，存在表面檢測盲區，且檢測時需使用耦合劑，影響后續工藝進程；機器視覺法只能檢測滾子的表面缺陷，同時滾子表面光滑、粗糙度低，易發生鏡面反射導致成像質量差。
與以上檢測方法相比，漏磁檢測具有檢測效率高、自動化程度高及無污染等特點，同時檢測靈敏度高，能夠有效檢出裂紋、表面劃傷、凹坑等缺陷。基于漏磁檢測原理，提出了一種軸承滾子微細裂紋漏磁檢測方法，可適用于不同規格及復雜檢測工況下的軸承滾子檢測。
1、漏磁檢測方法
漏磁檢測利用磁源對鐵磁性工件進行磁化，磁場主要分布在工件內部；如果工件存在裂紋，部分磁通會泄漏到工件表面的空間中，并在工件裂紋處激發形成漏磁場，檢測時采用磁傳感器來拾取漏磁場信號從而獲得裂紋信息。軸承滾子漏磁檢測原理如圖1所示。
圖1 軸承滾子漏磁檢測原理示意
根據該檢測原理，提出了軸承滾子微細裂紋漏磁檢測方法，設計了漏磁檢測系統，如圖2所示。該系統主要由磁化器、軸承滾子、檢測探頭、信號處理系統等4部分組成。檢測時，磁化器將滾子磁化到近飽和狀態，裂紋處磁場泄漏到空氣中，探頭拾取到漏磁場，將漏磁信號轉化為電信號，傳輸到信號處理系統中進行放大、濾波等處理，最終得到裂紋信號，實現對軸承滾子表面裂紋的檢測。
圖2 軸承滾子漏磁檢測系統結構示意
2、仿真分析
為了對該檢測方法進行驗證，建立如圖3所示的仿真模型（Q為內部測點，P為外部測點），研究滾子表面的背景磁場及漏磁場特性。
圖3 軸承滾子磁化仿真模型
滾子直徑(D)為30 mm，裂紋深度(h)為100 μm，寬度(b)為100 μm。材料設置為GCr15，磁化線圈匝數為600匝，通5~10 A的電流。內部測點Q（距離滾子表面0.4 mm）磁感應強度隨電流強度的變化曲線如圖4所示；在外部測點P（距離滾子表面0.4 mm）處測得背景磁場與裂紋的漏磁場強度（將裂紋處材料設置為GCr15），計算得到無裂紋處背景磁場與電流大小的關系，如圖5所示；進而得到不同電流強度下裂紋的漏磁場信號，如圖6所示。
圖4 滾子內部磁場強度隨電流強度的變化曲線
圖5 無裂紋處背景磁場強度隨電流強度的變化曲線
圖6 不同電流強度下裂紋的漏磁場信號
對于同一尺寸的裂紋，磁化強度越大，滾子內部近表面的磁感應強度越大，裂紋產生的漏磁場強度越大，傳感器越有可能拾取到裂紋信號。根據圖6可以看出，隨著電流強度的增大，滾子近表層的磁感應強度不斷增大，當磁化電流為9 A時，外壁檢測區域的磁感應強度為1.6 T，接近飽和磁化。因此，線圈通電電流選取為9 A，此時滾子表面的背景磁場大小為37 mT。
在滾子表面設置寬度為100 μm，深度分別為15，30，50，100，150，200 μm的裂紋，磁化電流設置為9 A，在滾子表面提離0.4 mm處，沿掃描路徑提取不同深度下的切向漏磁感應強度分量Bt，Bt隨裂紋深度的變化曲線如圖7所示。
圖7 切向漏磁場磁場強度分量隨裂紋深度的變化曲線
由圖7可知，磁場在光滑表面分布均勻，缺陷處波形出現一個單峰；在缺陷正上方，磁場磁感應強度達到最大，裂紋越深，磁感應強度越大，且信號幅值與裂紋深度呈線性關系。
3、基于測點區域近零磁場調控的TMR測磁方法
在漏磁檢測過程中，對于不同規格的滾子，隨著滾子直徑的增加，所需磁化強度越來越大，而表面微細裂紋產生的漏磁場強度較小，檢測要求更加嚴格。因此，利用漏磁檢測方法對滾子進行微細裂紋檢測時，存在漏磁場小，背景磁場大的檢測問題。漏磁場的拾取主要依靠磁傳感器，較大的背景磁場會導致傳感器超量程飽和，出現靈敏度降低、信號失真甚至無法檢測出信號等問題。常用的霍爾元件線性范圍大，但靈敏度較低，TMR（隧道磁電阻）傳感器相較于霍爾傳感器、AMR（各向異性磁阻）以及GMR（巨磁阻），具有良好的溫度穩定性，同時檢測靈敏度更高。基于以上問題，選擇TMR傳感器拾取信號，結合仿真得到的背景磁場磁感應強度，提出了基于測點區域近零磁場調控的TMR測磁方法。
對不同規格或不同工況的軸承滾子進行檢測時，需要施加不同強度的磁化場，改變檢測探頭所處的背景磁場強度。因此，設計了線圈電磁磁化的偏置檢測探頭，建立基于線圈磁化回路的自適應測點近零磁場環境。基于線圈偏置的TMR傳感器檢測原理如圖8所示，探頭主要由TMR傳感器、霍爾元件、磁軛、線圈組成，TMR傳感器選用多維2001型號；選用0811型霍爾元件測量TMR傳感器所處位置背景磁場的大小；磁軛選用高磁導率、低損耗的硅鋼片制作而成，用以聚磁、傳導磁場；線圈采用直徑為1 mm的漆包線制作，包裹在磁軛外，用以產生與背景磁場相反的偏置磁場，對TMR的背景磁場進行調控，使得其工作在高靈敏度區，并且具有較強的抗外界電磁干擾能力。在實際漏磁檢測中，測點處測量得到的磁感應強度為線圈磁化后產生的漏磁場磁感應強度與施加的反向偏置磁場共同作用后的磁感應強度。
圖8 基于線圈偏置的TMR傳感器檢測原理
建立直徑為30 mm的軸承滾子模型，滾子表面設置寬度為100 μm，深度為100 μm的刻槽，磁化線圈匝數為600匝，磁化電流為10 A。傳感器偏置磁場的磁感應強度設置為35 mT，仿真得到加偏置磁場前后的裂紋漏磁場信號如圖9所示，檢測區域背景磁場下降至約0 mT，根據仿真結果顯示加偏置磁場前后裂紋處的漏磁場云圖如圖10所示，可見反向的偏置磁場對滾子的磁化狀態有一定影響，但影響較小，漏磁場強度峰峰值下降15%左右，不影響信號檢出。
圖9 加偏置磁場前后裂紋的漏磁信號
圖10 加偏置磁場前后裂紋處的漏磁場云圖
為了保證偏置電流能夠隨背景磁場變化而相應改變，采用了電流反饋控制系統，主要包括PLC控制模塊、模擬量模塊、可控硅電源調節模塊。控制調節變壓器初級線圈中可控硅的導通角，即可改變變壓器初級線圈的電壓幅值，從而改變變壓器次級線圈的輸出電壓，達到控制偏置電流大小的目的。
根據設定值對PLC模擬量輸出端給定一個初值，初始輸出電流為0 A，在輸出初始電流后，再檢測霍爾傳感器的輸出電壓值，并將其作為輸入端信號；比較霍爾元件在靜態時輸出的電壓值與磁化后的輸出電壓值，然后根據比較結果進行增量電流調節，微調量（ΔI）取0.1 A，形成一個閉環調節的反饋回路，使得輸出電流滿足要求。
4、檢測試驗
為了對該測磁方法進行驗證，搭建如圖11所示的試驗平臺，選取如圖12所示，直徑為30 mm的軸承滾子進行檢測，工件表面刻有周向分布的標準傷，長度為10 mm，寬度為100 μm，深度為100 μm，檢測探頭如圖13所示。
圖11 軸承滾子漏磁檢測試驗平臺
圖12 檢測工件外觀
圖13 檢測探頭外觀
未磁化時，霍爾元件輸出電壓為0 mV；磁化線圈加載10 A激勵電流，此時軸承滾子處于近磁飽和狀態，滾子表面的背景磁場強度為15 mT，霍爾元件輸出電壓為50 mV；偏置線圈調節電流輸入為2.2 A時，霍爾元件輸出電壓歸于0 mV。探頭采集到10 A電流偏置前后的輸出電壓信號如圖14所示。
圖14 10 A電流偏置前后的輸出電壓信號
采用上述試驗平臺，檢測工件上刻傷裂紋深度分別為15，30，50，150，200 μm（其中15，30 μm深裂紋采用標準磁粉試片代替），得到偏置前與偏置后輸出電壓信號峰峰值與裂紋深度的關系曲線如圖15所示。由圖15可見，在一定條件下，隨著裂紋深度的增加，輸出信號峰峰值呈線性增加，偏置后的輸出信號幅值相較于偏置前的信號幅值明顯增大。
圖15 10 A電流偏置前后輸出電壓信號峰峰值與裂紋深度的關系曲線
經過數據統計與計算，得到10 A電流激勵下不同深度裂紋的信噪比如表1所示，可見偏置后裂紋漏磁信號的信噪比明顯提升，對于15 μm深的裂紋，偏置前無信號，偏置后可檢出信號。
表1 10 A電流激勵下不同深度裂紋的信噪比/dB
激勵電流為15 A時，軸承滾子處于磁過飽和狀態，滾子表面的磁感應強度為24 mT，霍爾元件輸出電壓為85 mV。偏置線圈調節電流輸入為3.5 A時，霍爾元件輸出電壓歸于0 mV。深為100 μm的裂紋15 A電流偏置前后的輸出電壓信號如圖16所示，15 A電流偏置前后輸出電壓與裂紋深度的關系如圖17所示，可見過磁飽和狀態下，TMR傳感器拾取到的信號很小，調節偏置電流后，探頭才能有效拾取到裂紋信號。15 A電流激勵下不同深度裂紋的信噪比如表2所示。
圖16 深為100 μm的裂紋15 A電流偏置前后的輸出電壓信號
圖17 15 A電流偏置前后輸出電壓與裂紋深度的關系
表2 15 A電流激勵下不同深度裂紋的信噪比/dB
由表2可見，對于15，30 μm深的裂紋，偏置前無信號，偏置后可檢出信號，偏置后不同深度裂紋的檢出率均有提升，且與近飽和磁化狀態下相比較，信號的信噪比略有提升，即對于不同背景磁場強度下的漏磁檢測，該偏置探頭均可調節偏置電流的大小，建立良好的測點區域近零磁場環境。
結 語
(1) 基于漏磁檢測原理，提出了軸承滾子微細裂紋漏磁檢測方法，并通過仿真分析了裂紋產生的漏磁場特性。
(2) 提出了測點區域近零磁場調控的TMR測磁方法，并設計了線圈電磁磁化的偏置檢測探頭，建立基于線圈磁化回路的自適應測點近零磁場環境，使得探頭能夠適用于不同工況下的漏磁檢測。
